高荣锦

(中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

地震岩石物理学是地震储层研究和油气检测的理论基础，是地震数据与油气特征和储集参数之间建立沟通的桥梁[1-11]。地震岩石物理特征分析是叠前AVO反演技术的基础，叠前AVO反演利用叠前地震资料丰富的信息，反演出纵、横波速度和泊松比等弹性参数，同时，反演出截距、梯度和流体因子等AVO属性，近年来已被广泛应用于复杂油气藏的储层预测和油气检测[12-13]。但是叠前AVO反演存在多解性，需要利用实际地层的储层及流体信息建立岩石物理模型进行正演模拟，建立岩石物理模型的关键在于采用地层条件下的岩石物理参数[14-18]，而目前尚未有针对清水洼陷致密砂岩岩石物理特征的研究。因此，对清水洼陷深层15口井的30块砂岩岩心样品的弹性模量以及砂岩饱和不同性质流体时的纵、横波速度进行测定，分析并总结了致密砂岩的岩石物理参数特征，制订出该区致密砂岩叠前AVO流体因子的研究思路，利用实测的饱和水砂岩纵横波速度关系式对Fatti流体因子经验公式进行改进，利用改进公式约束叠前AVO流体因子反演，有效提高了清水洼陷中深层致密砂岩油气预测的准确性。

1 研究区概况

清水洼陷位于辽河坳陷西部凹陷南部，是辽河坳陷内最大的生油气洼陷，其沙河街组沙三段—沙一段是辽河油田致密砂岩深层油气藏勘探的主要领域之一[19]。古近系沙河街组沉积时期，东侧大洼断层活动剧烈，使得盆地快速拉张并沉陷，在清水洼陷内沉积了巨厚的深灰色泥岩，暗色泥岩最大厚度为1 600 m(图1)。同时，来自于东侧中央凸起和西侧西部凸起多支物源的扇体在洼陷中心延伸，沉积了多期、厚层的湖底扇砂体。这些致密砂岩与深灰色泥岩在纵向上形成“三明治”的良好生储盖组合关系，因此，该区具备形成岩性油气藏的优越条件。

图1 大洼-海外河构造带综合评价Fig.1 The comprehensive evaluation of the Dawa-Haiwaihe tectonic zone

2 岩石物理特征

2.1 砂岩纵横波速度及弹性模量测定

致密砂岩受埋深大、成岩作用强的影响，储层致密。据实测岩心物性资料统计，沙河街组3 000m以深砂岩储层孔隙度为3.4%～24.7%，平均值为13.3%，渗透率为0.09～334.00 mD，平均为4.00 mD，属于低孔、低渗储层。通过宏观岩心观察及微观特征相结合，清水洼陷致密砂岩主要以次生孔隙和微孔隙为主，表现为强压实、强胶结、中弱溶蚀，黏土杂基含量高，渗透性差等特征。

结合致密砂岩储层特征的分析，实验室采用13口井的30块砂岩岩心样品，通过测定岩石样品在三轴应力下的纵波温度(Vp)、横波速度(Vs)和密度，获取岩样的杨氏模量(E)、剪切模量(μ)、体积模量(K)与泊松比(σ)；在实验室模拟地层条件，测量不同深度下岩心样品的纵、横波速度和密度，确定弹性模量(表1)。

表1 干岩心弹性模量测试数据Table 1 The test data of dry rock elastic modulus

测试结果表明：压力对该区致密砂岩波速影响明显，压力增大，纵、横波速度增高，速度随有效压力的变化呈乘幂函数关系；温度对波速影响不大，在等压条件下，温度升高100 ℃，纵、横速度比变化幅度小于在5%；孔隙度对波速影响明显，波速随孔隙度增大而减小，但由于骨架模量、孔隙类型及胶结方式的差异，导致数据离散分布。依据实测干岩石、饱和水岩石纵、横波及弹性模量数据，拟合了纵横波速度关系式，其中，饱和水致密砂岩纵横波速度关系(泥石基线)如式(1)所示(图2)。

图2 饱和水岩心纵波速度与横波速度的关系Fig.2 The relationship between p-wave velocity ands-wave velocity of rock core with saturated water

Vs=540.5+0.443Vp

(1)

式中：Vs是饱和水致密砂岩横波速度，m/s；Vp为饱水致密砂岩纵波速度，m/s。

2.2 流体替换

岩石物理分析的重要问题之一是流体替换，即研究岩石从饱和一种流体到饱和另一种流体，其纵、横波速度和体积模量等参数的变化特征。Gassmann给出了从干岩石到饱和流体岩石体积模量的Gassmann方程，该方程被广泛应用于流体替换的计算[20-21]。

(2)

式中：Km为基质矿物(颗粒)的无量纲化体积模量；Kdry为干岩石(骨架)的体积模量；Kf为孔隙流体的体积模量；Ksat为饱和岩石的无量纲化体积模量；φ为孔隙度，%。

图3为清水洼陷s216井流体替换的参数变化，该井在3 167～3 180 m井段日产气量为1.03×104m3/d。由图3可知：清水洼陷致密砂岩储层在饱和水、油、气3种不同流体状态下，纵、横波速度变化小，密度、泊松比变化大。岩石在饱和水、油、气时，密度、泊松比均依次减小，饱和气储层泊松比相比饱和水储层泊松比值下降15%。流体替换结论为叠前AVO反演提供了可行性依据。

图3 s216井流体替换参数变化Fig.3 The changes in fluid replacement parameters of Well s216

3 AVO正演特征分析

AVO正演模型研究是利用叠前AVO反演进行储层预测和烃类检测的基础[22-24]。在流体替换的基础上，利用Zoeppritz方程对饱和不同流体的储层进行AVO正演模拟，并研究振幅随偏移距或角度的变化规律。s216井致密砂岩储层在饱和水、油、气时，反射振幅均表现为随角度增大而减小的I类AVO特征，但饱和油、气后，反射振幅随角度增大而减小的趋势更明显，含气后振幅衰减梯度最大。经统计，饱和气后， 28 °入射角处振幅相比饱和水的振幅衰减率达到60%，AVO正演特征分析进一步为叠前AVO反演提供了可行性依据。

4 AVO流体因子反演

4.1 流体因子反演

基于叠前地震资料开展的流体识别技术开始于20世纪80年代[25]，目前比较常用的利用AVO反演求取流体因子的方法有：流体异常识别的LMR(Lambda-mu-rho)法、截距-斜率法(PG剖面)、识别流体组分的Russell法、流体异常识别的Fatti法。其中，Fatti将流体因子的公式表示为纵波和横波阻抗反射系数的加权差。

(3)

式中：ΔF为流体因子，储层含水时为0，储层含气时不为0；Rp为纵波阻抗反射系数；Rs为横波阻抗反射系数。

式(3)中的系数1.16是根据Castagna提出的纵、横波速度经验公式得到，地区适用性十分局限。根据实验室测定的研究区饱和水致密砂岩纵横波速度关系，将Fatti公式改进为适合清水洼陷致密砂岩的流体因子公式。

(4)

分别将Fatti流体因子经验公式和清水洼陷致密砂岩流体因子公式代入AVO反演，并与钻井结果对比，以检验改进的流体因子公式在清水洼陷致密砂岩流体预测中的适用性。

图4为Fatti经验公式和改进的流体因子公式反演得到的s229井流体因子预测剖面。s229井全井段仅在3 340.0～3 376.0 m钻遇了一套致密砂岩储层，该段测井解释为4层油层，累计厚度为11.1 m，试油日产油为52.2 m3/d，日产气为4 592 m3/d，获得高产工业性油气流。从反演结果看，利用改进公式反演得到的流体因子剖面在2 565～2 585 ms准确地预测了s229井钻遇的该套油气层，且除该段外，其余井段均为流体因子零值区，预测结果与实际钻井结果高度吻合；而利用Fatti经验公式反演得到的流体因子剖面则未能准确预测该套油气层，剖面中的流体因子异常区为s229井钻遇的泥岩段。Fatti经验公式反演预测结果与实际钻井结果不吻合，改进后的流体因子公式反演预测结果准确率得到了极大提升。

图4 s229井流体因子对比剖面Fig.4 The comparison section of fluid factor of Well s229

4.2 流体平面分布特征

在单井含油气储层预测的基础上，利用改进的清水洼陷致密砂岩流体因子公式在全区范围内开展叠前AVO反演，并提取流体因子平面属性，对该套致密砂岩的含油气分布范围进行预测。图5为沿s229井钻遇的油气层顶界面向下开50 ms时窗提取的流体因子平面属性，该套致密砂岩的含油气区主要集中分布在清水洼陷的中北部。

图5 s229井油层沿层(油层顶界向下50 ms)流体因子平面属性

地质研究表明洼陷中心生油岩生油能力最强，该套致密砂岩主要物源方向在洼陷东侧，来自于东侧的砂体在边界主断层的控制下，在湖盆中心洼陷区展开并广泛沉积。同时，洼陷在整体为向斜构造的背景下，发育了一些低幅度的背斜构造，这些低幅度背斜与优质生油岩、致密砂岩储集体形成了良好的组合关系，因此，能够成为油气成藏的有利场所，是致密砂岩油气藏勘探的主要区域(图6)。通过对已知井与预测结果的互相印证，含油气砂岩的有效储层预测与地质研究结论相符，预测致密砂岩有利储层分布面积约为42 km2。

图6 清水洼陷中深层致密砂岩油气成藏模式

根据本次反演的流体因子预测结果，在清水洼陷的东北部流体因子异常区部署了w115、w125、w128等探井及s229-36-58等开发井30余口，w128井在3 726.2～3 738.7 m井段自喷日产油为69.6 t/d,s229-36-58井在4 080.7～4 098.0 m井段自喷日产油为105.2 t/d，均获成功，钻井结果进一步证明了基于该区岩石物理特征分析的流体预测的准确性。

基于以上成果，自2017年起在清水洼陷东部深层沙河街组一段、二段致密砂岩储层整体上报石油地质储量为2 800×104t，探索出对中深层致密砂岩油藏的流体预测手段，有力地支撑了辽河油田的千万吨稳产。

5 结 论

(1) 地震岩石物理是叠前AVO反演流体预测的基础。清水洼陷致密砂岩储层含油、气后，泊松比和密度值下降，地震道集反射振幅随偏移距增大而减小，含气后振幅衰减梯度最大。

(2) 以实验室测定致密砂岩纵、横波速度关系为基础，对Fatti流体因子经验公式进行了改进，应用于叠前AVO反演。与Fatti经验公式相比，改进的公式流体预测结果与实际钻井含油气性吻合程度好、精度高，为清水洼陷致密砂岩流体预测探索出了一种有效方法。